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高纯度制氮装置的研制与应用

2019-09-17 14:05 

引言

氮气是一种惰性气体,制氮装置最初被广泛应用于煤矿井下的防灭火,其原理主要就是利用氮气的惰性。随着制氮装置逐步由煤炭行业向非煤领域的拓展,其应用领域日益扩大。不同行业对制氮装置的氮气浓度要求越来越高,氮气纯度要求达到99.99%,这就迫使企业必须与时俱进,通过研发高纯度制氮装置,来提高产品的性能指标,适应市场的需求。

目前,一般的制氮方式主要有深冷分离、变压吸附、膜分离,变压吸附法(简称PSA)制氮技术通常使用两塔并联,在常温下以空气为原料,以碳分子筛(CMS)为吸附剂,N2与O2在CMS上的扩散速率和吸附容量不同,O2直径较小扩散较快,较多进入分子筛固相,使N2富集于气相中。一段时间后,分子筛对O2的吸附达到平衡后,降压,碳分子筛解除对氧的吸附。两塔交替进行加压吸附和减压解吸,从空气中吸附和释放O2,从而分离出N2。变压吸附是一项非常有效的气体分离新技术,目前已广泛应用于工业气体分离与净化、气体干燥和氢气分离精制等领域。变压吸附具有投资小、自动化程度高、操作维护简单、常温运行等优点。


制氮装置的组成及产品特点

主要由空气净化组件、空气罐、PSA氧氮分离组件、氮气缓冲组件、电控系统五大部分组成
空气净化组件的作用顾名思义就是除去压缩空气中的尘埃、水和油,为氧分高组件提供洁净的原料—空气。碳分子筛是变压吸附制氮装置的核心部分,由于空压机排出的压缩空气通常含有油和水,所以必须在压缩空气压缩空气进入氧氮分离组件之前采用空气净化组件进行除油、除水。
空气罐配有安全阀、蝶阀、压力表等,在系统切换时可以保证系统用气平稳,提高进入吸附器的压缩空气品质,延长分子筛的寿命。
PSA制氮工艺,通过可编程序控制气动阀的启闭,完成A、B两塔交替循环加压吸附、减压脱附的过程,使氧氮分离,最终得到所需的氮气。碳分子筛对氧的吸附容量随着压力的增减而不同。
氮气储罐组件的作用是根据N2缓冲在吸附过程中成品气的压力变化,相应程控阀门的频繁开闭确保整个装置按一定的程序运行,以确保输出氮气的纯度和流量的稳定性。

 
产品应用情况及推广应用前景

氮气化学性质不活泼,所以在煤矿、油田工业中常被用做的防灭火的介质。按照《煤矿安全规程》要求,氮气浓度一般不小于97%。DT-495/40变压吸附式碳分子筛制氮装置成功研制后,首台便应用于塔山煤综放工作面高温、高湿生产条件下防灭火。工作时,将高纯度氮气注入火区内,使火区中氧含量浓度降低5%以下这样便可达到灭火和防止瓦斯爆炸的目的。通过两年多的工业性应用检验,高纯度井下移动碳分子筛制氮装置技术性能优、运行稳定可靠,制氮量多,达到了设计要求,保障了塔山煤矿安全高效生产。
随着低温化学热处理技术的迅速发展,大型精密齿轮、高性能齿轮的热处理越来越多地应用深层离子渗氮技术,以提高其抗畸变、抗咬合性能。该产品在中国重汽大同齿轮公司热处理车间用于齿轮的渗氮技术,经批量测试,齿轮渗氮后,表面硬度、耐磨性、轮齿的弯曲疲劳强度均大幅提高。经过两年多的应用,产品很好地满足了用户的使用要求。
(1)高纯度氮气在冶金工业中主要用于退火保护气氛、烧结保护气氛、氮化处理、洗炉等。在金属热处理时氮气可使金属表面光洁;有色金属冶炼时氮气不仅可以提高产品纯度,而且用氮气吹扫钢水,还可降低钢中氢含量,提高钢的强度。
(2)高纯度氮气在电子工业中主要用于大规模集成电路的烧结点焊、退火、封装等生产工序。
(3)利用液氮的低温特性,高纯度的氮气在气相色谱分析、检测中,常被用作载气,保存和使用科学仪器。
(4)在食品、医药行业,高纯度的氮气主要应用于食品与医药的包装、保鲜、冷藏输送等。生物和医疗领域中,高纯氮在人体组织和外科手术等方面也得到普遍的应用。

结语
 
变压吸附式碳分子筛制氮装置所产氮气纯度从过去的98%提高到了99.995%以上,大大提高了分子筛的利用率,节省了材料的大量消耗,对保护资源、节能环保具有极大的推动作用。